清华大学的魏飞课题组--超耐用的超长碳纳米管

耐疲劳性是结构材料使用寿命的关键特性。碳纳米管(CNTs)是迄今为止发现的强度最高的材料之一，但由于其尺寸大且缺乏有效的测量方法，因此测量其抗疲劳性能是一个挑战。本文开发了一种非接触声共振测试系统，用于研究厘米级长的单个CNTs的疲劳行为。我们发现，CNTs具有良好的疲劳抗力，这与温度有关，CNTs疲劳断裂的时间主要由第一个缺陷产生的时间决定。研究发现，手性不同的CNTs在共振中显示出不同的颜色，因此，具有沿其轴向方向发生结构或手性变化的单个CNTs将在该方向上显示颜色变化。与基于电子显微镜的纳米材料测试系统相比，ART系统不仅避免了电子束导致的样品损伤，也使得厘米级长度纳米材料的疲劳测试成为可能，同时还解决了小尺寸样品夹持以及高周次循环载荷的施加问题。在大应变循环拉伸测试条件下，单根CNTs可以被连续拉伸上亿次而不发生断裂，并且在去掉载荷后，其依然能保持初始的超高抗拉强度，耐疲劳性优于目前所有工程纤维材料。此外，对CNTs的疲劳损伤累积机制进行研究发现，其疲劳破坏不存在损伤累积过程，同时初始缺陷的生成对CNTs的疲劳寿命起主导作用。这项工作揭示了超长CNTs用于制造超强超耐疲劳纤维的光明前景，同时为CNTs在许多领域应用的寿命设计提供了重要的参考依据。

Fig. 1. 碳纳米管的结构和抗疲劳性能。

Fig. 2 碳纳米管在室温下的力学行为。

Fig. 3. 碳纳米管在不同温度下的疲劳行为。

相关研究成果于2020年由清华大学的魏飞课题组，发表在Science（https://science.sciencemag.org/content/369/6507/1104）上。原文：Super-durable ultralong carbon nanotubes。